JP2013161771A - Lithium ion secondary battery and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、電極膜との密着力が高い保護層付電極膜により、信頼性を低下させずに電池容量の向上させることが可能なリチウムイオン二次電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
本発明は、集電箔の表面に形成され、前記集電箔と接着するバインダーを含む電極膜と、前記電極膜表面に形成され、前記電極膜と接着するバインダーと絶縁性粒子とを含む保護膜とを有し、前記保護膜における前記電極膜側のバインダーの濃度が前記電極膜と反対側のバインダーの濃度よりも高いことを特徴とするリチウムイオン二次電池を提供する。
【選択図】 図3PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion secondary battery capable of improving battery capacity without lowering reliability by an electrode film with a protective layer having high adhesion to the electrode film, and a method for producing the lithium ion secondary battery For the purpose.
[Solution]
The present invention provides an electrode film that includes a binder that is formed on the surface of the current collector foil and adheres to the current collector foil, and a protection that includes the binder that is formed on the surface of the electrode film and adheres to the electrode film and insulating particles. The lithium ion secondary battery is characterized in that the concentration of the binder on the electrode film side in the protective film is higher than the concentration of the binder on the opposite side to the electrode film.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery and a method for manufacturing the same.
本技術分野の背景技術として、特開平7−220759号公報(特許文献1)がある。この公報には、「活物質層表面に形成した保護層によって,活物質層を形成した後,電極が電池缶内に収納されるまでの間に発生する活物質の脱落,再付着が防止でき,電極表面に再付着した活物質によって誘起される電池の内部短絡が防止でき,高い信頼性,安全性を有する非水電解液二次電池が得られる。」と記載されている。 As background art in this technical field, there is JP-A-7-220759 (Patent Document 1). This publication states that “the protective layer formed on the surface of the active material layer can prevent the active material from dropping and reattaching after the active material layer is formed and before the electrode is housed in the battery can. The internal short circuit of the battery induced by the active material reattached to the electrode surface can be prevented, and a highly reliable and safe non-aqueous electrolyte secondary battery can be obtained.
携帯電子機器の発達に伴い、これらの携帯電子機器の電力供給源として、繰り返し充電が可能な小型二次電池が使用されている。中でも、エネルギー密度が高く、サイクルライフが長いとともに、自己放電性が低く、かつ、作動電圧が高いリチウムイオン二次電池が注目されている。リチウムイオン二次電池は、上述した利点を有するため、デジタルカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機などの携帯電子機器に多用されている。 With the development of portable electronic devices, small secondary batteries that can be repeatedly charged are used as power supply sources for these portable electronic devices. Among these, lithium ion secondary batteries that have high energy density, long cycle life, low self-discharge property, and high operating voltage are attracting attention. Lithium ion secondary batteries have the advantages described above, and are therefore widely used in portable electronic devices such as digital cameras, notebook personal computers, and mobile phones.
さらに、近年では、電気自動車用電池や電力貯蔵用電池として、高容量、高出力、かつ、高エネルギー密度を実現できる大型のリチウムイオン二次電池の研究開発が進められている。特に、自動車産業においては、環境問題に対応するため、動力源としてモータを使用する電気自動車や、動力源としてエンジン(内燃機関)とモータとの両方を使用するハイブリッド車の開発が進められている。このような電気自動車やハイブリッド車の電源としてもリチウムイオン二次電池が注目されている。 Furthermore, in recent years, research and development of large-sized lithium ion secondary batteries capable of realizing high capacity, high output, and high energy density as electric vehicle batteries and power storage batteries have been promoted. In particular, in the automobile industry, in order to cope with environmental problems, development of an electric vehicle that uses a motor as a power source and a hybrid vehicle that uses both an engine (internal combustion engine) and a motor as a power source are in progress. . Lithium ion secondary batteries have attracted attention as power sources for such electric vehicles and hybrid vehicles.
このようなリチウムイオン二次電池の製造工程では、金属箔からなる正極板や負極板を捲回させる工程や、電極捲回体を外装容器に溶接して固定する工程や、電解液を外装容器内に注入する工程などが存在する。例えば、正極板や負極板を捲回する工程では、金属箔である正極板や負極板を捲回する際に、金属微粉が発生するおそれがある。また、電極捲回体を外装容器に溶接して固定する工程では、溶接する際に金属異物が飛散するおそれがある。さらに、電解液を外装容器の内部に注入する工程で、電解液中に混入している金属異物が電極捲回体の内部に浸入するおそれがある。以上のことから、リチウムイオン二次電池の製造工程においては、電極捲回体の内部に金属異物が混入するポテンシャル(潜在可能性)があることになる。 In the manufacturing process of such a lithium ion secondary battery, a step of winding a positive electrode plate and a negative electrode plate made of metal foil, a step of welding and fixing an electrode winding body to an outer container, and an electrolyte solution in an outer container There is a process of injecting into the inside. For example, in the step of winding a positive electrode plate or a negative electrode plate, metal fine powder may be generated when the positive electrode plate or the negative electrode plate, which is a metal foil, is wound. Moreover, in the process of welding and fixing the electrode winding body to the outer container, there is a possibility that metallic foreign matter may be scattered during welding. Furthermore, in the step of injecting the electrolytic solution into the exterior container, there is a possibility that a metal foreign matter mixed in the electrolytic solution may enter the electrode winding body. From the above, in the manufacturing process of the lithium ion secondary battery, there is a potential (potential) that a metal foreign substance is mixed inside the electrode winding body.
特許文献1に記載されているような多孔性であり、絶縁性の保護膜を電極膜表面に設けることは、金属異物の電極表面への付着を防止することが可能となるため、金属異物侵入による内部短絡を抑制することができる。このような保護膜を形成する方法としては、絶縁性粒子とバインダー成分からなるスラリーを電極膜表面に塗布し、乾燥させる方法が採用し得る。しかしながら、従来の製造方法では、保護膜内のバインダー分布が生じることで電極膜との密着性が低下し、電極板の搬送時や電極捲回体の製造工程で保護膜が脱落しやすくなるため、信頼性を向上させるためにバインダーの含有量を多くする必要があった。バインダーの含有量を多くしすぎると、電池容量が低下してしまうため、信頼性の向上と電池容量の向上の両立を図ることが困難であった。
Since the porous and insulating protective film described in
上記問題点に鑑み、本発明は、電極膜との密着力が高い保護層付電極膜により、信頼性を低下させずに電池容量の向上させることが可能なリチウムイオン二次電池およびその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides a lithium ion secondary battery capable of improving battery capacity without reducing reliability by using an electrode film with a protective layer having high adhesion to the electrode film, and a method for manufacturing the lithium ion secondary battery The purpose is to provide.
上記課題を解決するために、本発明は、集電箔の表面に形成され、前記集電箔と接着するバインダーを含む電極膜と、前記電極膜表面に形成され、前記電極膜と接着するバインダーと絶縁性粒子とを含む保護膜とを有し、前記保護膜における前記電極膜側のバインダーの濃度が前記電極膜と反対側のバインダーの濃度よりも高いことを特徴とするリチウムイオン二次電池を提供する。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an electrode film that is formed on the surface of a current collector foil and includes a binder that adheres to the current collector foil, and a binder that is formed on the surface of the electrode film and adheres to the electrode film. And a protective film containing insulating particles, wherein the concentration of the binder on the electrode film side in the protective film is higher than the concentration of the binder on the opposite side of the electrode film I will provide a.
また、本発明は、集電箔表面に形成した電極膜上に前記電極膜と接着するバインダーを含む液状の保護膜スラリーを塗布する第1の工程と、固化液が含まれる溶剤を前記保護膜スラリーと接触させ、前記保護膜スラリーを固化する第2の工程と、固化した前記保護膜スラリーから液体成分を除去して乾燥する第3の工程とを含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法を提供する。 The present invention also includes a first step of applying a liquid protective film slurry containing a binder that adheres to the electrode film on the electrode film formed on the surface of the current collector foil; and a solvent containing a solidified liquid is added to the protective film. A lithium ion secondary battery comprising: a second step of bringing the protective film slurry into contact with a slurry and solidifying the protective film slurry; and a third step of removing a liquid component from the solidified protective film slurry and drying the solid film. A manufacturing method is provided.
本発明によれば、電極膜との密着力が高い保護層付電極膜により、信頼性を低下させずに電池容量の向上させることが可能なリチウムイオン二次電池およびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a lithium ion secondary battery capable of improving battery capacity without reducing reliability by an electrode film with a protective layer having high adhesion to the electrode film, and a method for manufacturing the lithium ion secondary battery. Can do.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
本実施形態におけるリチウムイオン二次電池の構成について、図1−3を用いて説明する。 The structure of the lithium ion secondary battery in this embodiment is demonstrated using FIGS. 1-3.
本実施形態におけるリチウムイオン二次電池は、正極板と負極板の接触を防止するセパレータを介して捲回または積層されている。この捲回体または積層体を電池外装容器に収納した後、外装容器内に電解液が注入されている。正極板、負極板は、図3に示すとおり、集電体としての金属箔である集電箔6に電極膜9が形成され、電極膜9の表面に保護膜8が形成された構造となっている。電極膜9は、充放電によりリチウムイオンの放出・吸蔵が可能な活物質3、集電箔6と電極膜9とを接着するバインダー4、導電材5が溶解した溶剤2を含む電極膜スラリーを固化・乾燥することにより形成される。保護膜8は、絶縁性粒子1、電極膜9と保護膜8とを接着するバインダー4が溶解した溶剤2を含む保護膜スラリーが固化・乾燥することにより形成される。
The lithium ion secondary battery in the present embodiment is wound or stacked via a separator that prevents contact between the positive electrode plate and the negative electrode plate. After the wound body or the laminated body is stored in the battery outer container, the electrolytic solution is injected into the outer container. As shown in FIG. 3, the positive electrode plate and the negative electrode plate have a structure in which an electrode film 9 is formed on a
本実施形態におけるリチウムイオン二次電池の製造工程の概略について説明する。まず、活物質3、バインダー4、導電材4、第1の溶剤を含む電極膜スラリーを、集電箔6に塗布し、固化液11を含む第2の溶剤を第1の電極膜スラリーに接触させることで固化させ、液状成分を除去して乾燥させることで電極膜9を形成する。また、絶縁性粒子1、バインダ4、第1の溶剤を含む保護膜スラリーを電極膜9に塗布し、固化液11を含む第2の溶剤を保護膜スラリーに接触させることで固化させ、液状成分を除去して乾燥させることで保護膜8を形成する。これらの工程によって、正極板と負極板のそれぞれを形成する。続いて、正極板と負極板の間に正極板と負極板との接触を防止しつつ、リチウムイオンを通過させる多孔質の絶縁材料からなるセパレータを挟み、正極板とセパレータと負極板を捲回する。これにより、捲回した正極板とセパレータと負極板からなる電極捲回体を形成することができる。次に、この電極捲回体を電池の外装容器に挿入して固定した後、外装容器の内部に電解液を注入する。そして、外装容器をキャップ封止することにより、リチウムイオン二次電池を製造することができる。
The outline of the manufacturing process of the lithium ion secondary battery in the present embodiment will be described. First, the electrode film slurry containing the
従来の保護膜8の形成方法を図1、2を用いて説明する。従来は、集電箔6の表面に形成した電極膜9の表面に液状の保護膜スラリーを塗布し、そのまま乾燥室に導入して乾燥していた。
A conventional method for forming the
すなわち、図1に示すように塗布した保護膜8の乾燥工程において塗布保護膜8内の溶剤2が蒸発することで乾燥してゆくが、保護膜8は電極膜9表面に塗布されているため、溶剤2は保護膜8の表面(電極膜9の反対側)から蒸発してゆく。乾燥が進行するに伴い、電極膜9側の溶剤2は保護膜8の表面(電極膜9の反対側)に移動し、保護膜8の表面(電極膜9の反対側)から蒸発する。
That is, as shown in FIG. 1, in the drying process of the applied
溶剤2の蒸発に伴い、溶剤2に溶解しているバインダー4は、溶剤2と共に図1の矢印の向きに保護膜8の表面に向けて移動する。移動した溶剤2は表面から気化した溶剤7として蒸発してゆくが、溶解していたバインダー4は溶剤2の蒸発と共に析出し、残存する。このメカニズムによってバインダー4は図2に示すように保護膜8の表面側(電極膜9の反対側)に濃縮され、バインダー濃縮部10が形成される。
As the
本実施形態における保護膜8の形成方法を図3を用いて説明する。本実施形態では塗布された保護膜スラリーを固化する工程を追加し、固化した保護膜8を乾燥する。この方法を用いることで、保護膜8の密着性の低下は解消される。保護膜8の密着性の低下は保護膜8内のバインダー分布が乾燥工程中に不均一となり、電極膜9側のバインダー濃度が表面側(電極膜9の反対側)のバインダー濃度よりも低くなるため発生するものである。本実施形態では、塗布された保護膜スラリーを固化する工程を追加したことにより、電極膜9側のバインダー濃度を表面側(電極膜9の反対側)のバインダー濃度も高くすることができる。さらに、電極膜9側のバインダー濃度と表面側(電極膜9の反対側)のバインダー濃度との差を表面側(電極膜9の反対側)のバインダー濃度の50%以下とすることができ、保護膜8内のバインダー分布が不均一になるのを抑制することができる。
A method of forming the
電極膜9についても同様で、本実施形態では、塗布された電極膜スラリーを固化する工程を追加し、固化した電極膜9を乾燥する。この方法を用いることで、電極膜9の密着性の低下は解消される。集電箔6と電極膜9との密着性の低下は電極膜9内のバインダー分布が乾燥工程中に不均一となり、集電箔6側のバインダー濃度が保護膜8側のバインダー濃度よりも低くなるため発生するものである。本実施形態では、塗布された電極膜スラリーを固化する工程を追加したことにより、集電箔6側のバインダー濃度が保護膜8側のバインダー濃度よりも高くすることができる。さらに集電箔6側のバインダー濃度と保護膜8側のバインダー濃度との差を保護膜8側のバインダー濃度の50%以下とすることができ、電極膜8内のバインダー分布が不均一になるのを抑制することができる。
The same applies to the electrode film 9, and in this embodiment, a step of solidifying the applied electrode film slurry is added, and the solidified electrode film 9 is dried. By using this method, the decrease in the adhesion of the electrode film 9 is eliminated. The decrease in the adhesion between the
本実施形態のバインダー4を固化させる方法は、本実施形態の第1の溶剤を含む電極膜9表面に保持した塗布保護膜8に本実施形態の固化液11が含まれた第2の溶剤を接触させることでバインダー4を析出させるものであればよい。従って、第2の溶剤を溜めた液槽内を電極膜9表面に保持した塗布膜を通過させる方式や、電極膜9表面に保持した塗布膜に第2の溶剤をスプレーで吹きかける方式や、第2の溶剤を流下しながら供給する方式などが含まれるが、これらに限定されるものではない。
In the method of solidifying the
電極膜9におけるバインダー4を固化させる方法についても同様で、本実施形態の第1の溶剤を含む電極膜9表面に本実施形態の固化液11が含まれた第2の溶剤を接触させることでバインダー4を析出させるものであればよい。従って、第2の溶剤を溜めた液槽内を電極膜9表面に保持した塗布膜を通過させる方式や、電極膜9表面に保持した塗布膜に第2の溶剤をスプレーで吹きかける方式や、第2の溶剤を流下しながら供給する方式などが含まれるが、これらに限定されるものではない。
The same applies to the method of solidifying the
本実施形態では、第1の溶剤中に溶解しているバインダー4の析出による固化であるので、固化が瞬時の場合バインダー分布は基本的に塗布用保護膜スラリーのバインダー分布と同様、すなわちバインダー4は保護膜8中で均一分布となる。一方、実際のバインダー4の固化は図3の矢印に示すように保護膜8の表面から固化液11が浸透し、第1の溶剤中に溶解しているバインダー4が固化液11により析出する。すなわちバインダー4の析出は表面から電極膜9側へと進み、電極膜9側のほうのバインダー濃度が多くなる。このバインダー分布は従来の保護膜8の表面側(電極膜9と反対側)のバインダー4が多いのとは逆に電極膜9側のバインダー4が多くなるため、電極膜9との密着性が良好な保護膜8が得られる。
In this embodiment, since the solidification is caused by precipitation of the
電極膜9についても同様で、電極膜9の表面から固化液11が浸透し、第1の溶剤中に溶解しているバインダー4が固化液11により析出する。すなわちバインダー4の析出は表面から集電箔6側へと進み、集電箔6側のほうのバインダー濃度が多くなる。このバインダー分布は従来の電極幕9の表面側(保護膜8側)のバインダー4が多いのとは逆に集電箔6側のバインダー4が多くなるため、集電箔6との密着性が良好な電極膜9が得られる。
The same applies to the electrode film 9. The solidified liquid 11 penetrates from the surface of the electrode film 9, and the
また、固化に必要な接触時間の下限としては、概して、塗布膜内を第1の溶剤と第2の溶剤が相互拡散して置換する時間が必要であるが、保護膜8の厚さが1mm以下であれば、接触時間は1から100秒が好ましく、より好ましくは2秒から50秒、さらに好ましくは5秒から20秒の程度となる。
The lower limit of the contact time required for solidification generally requires time for the first solvent and the second solvent to interdiffuse and replace in the coating film, but the thickness of the
本実施形態のバインダー4固化後の乾燥に伴うバインダー4の移動は起こらない。従って、保護膜8を乾燥させる方法は一般的な温風乾燥に限定されるものではない。赤外線あるいは遠赤外線もしくは可視光といった電磁波を照射する加熱方式であってもよく、あるいは高周波電場による誘電加熱方式であってもよく、あるいは磁束の変化を利用する誘導加熱方式を用いることも可能である。さらにはヒーターを組み込んだ加熱ロールやホットプレートを利用する接触加熱方式も用いることができる。
The movement of the
本実施形態で用いる保護膜8を構成する絶縁性粒子1としては、絶縁性(非導電性)を示す種々の無機粒子および/または樹脂粒子を使用することが出来る。耐久性および信頼性の観点から、無機粒子の使用が好ましい。例えば、上記無機粒子としては、金属元素または非金属元素の酸化物、炭化物、珪化物、窒化物で有り得る。化学的安定性や材料コストの観点から、アルミナ(Al2O3)、シリカ(SiO2)などの酸化物粒子を使用することが好ましい。
As the insulating
使用する絶縁性粒子1の平均粒径は、電極膜9表面に形成する保護膜8の厚みと関係するが、例えば凡そ0.1〜10μm程度が好ましく、より好ましくは0.3〜5μmの程度となる。また、複数の平均粒径の粒子を混合した絶縁性粒子1を使用することもできる。
The average particle diameter of the insulating
本実施形態で用いる保護膜8を構成するバインダー4としては、上記の絶縁性粒子1を結着する性質をもつポリマー材料として、例えば、ポリビニリデンフルオライド系ポリマー(主成分モノマーであるビニリデンフルオライドを80質量%以上含有する含フッ素モノマー群の重合体)、ゴム系ポリマーなどが好適に用いられる。上記ポリマーは、2種以上を併用してもよい。
As the
上記ポリビニリデンフルオライド系ポリマーを合成するための含フッ素モノマー群としては、ビニリデンフルオライド;ビニリデンフルオライドと他のモノマーとの混合物で、ビニリデンフルオライドを80質量%以上含有するモノマー混合物;などが挙げられる。 Examples of the fluorine-containing monomer group for synthesizing the polyvinylidene fluoride-based polymer include vinylidene fluoride; a mixture of vinylidene fluoride and another monomer, and a monomer mixture containing 80% by mass or more of vinylidene fluoride; Can be mentioned.
他のモノマーとしては、例えば、ビニルフルオライド、トリフルオロエチレン、トリフルオロクロロエチレン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、フルオロアルキルビニルエーテルなどが挙げられる。 Examples of other monomers include vinyl fluoride, trifluoroethylene, trifluorochloroethylene, tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and fluoroalkyl vinyl ether.
上記のゴム系ポリマーとしては、例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)、エチレンプロピレンジエンゴム、フッ素ゴムなどが挙げられる。 Examples of the rubber-based polymer include styrene butadiene rubber (SBR), ethylene propylene diene rubber, and fluorine rubber.
また、本実施形態のバインダー4は、固化液11としての性能を有する成分と別個に加えてもよいし、バインダー4自体が固化液11としての機能を有していてもよい。バインダー4を固化液11としての性能を有する成分と別個に加える場合、バインダー4は絶縁性粒子1を結着する性質をもつ上記ポリマー材料が好適に使用されるが、必ずしも溶剤2に溶解した溶液の形態である必要はなく、液中にポリマー材料を分散させたエマルジョンの形態であってもよい。
Moreover, the
電極膜9の形成に用いられるバインダー4と保護膜8の形成に用いられるバインダー4はとは少なくともひとつの成分が同一であることが好ましい。さらに、電極膜9と保護膜8の両膜に用いられるバインダー4は本実施形態における固化液11の性質を持つポリマー材料であることがより好ましい。それぞれのバインダー4が同一の成分を含むことにより、電極膜9と保護膜8がより強く密着した一体膜を得ることができ、保護膜8の耐久性を向上させることが可能となる。
It is preferable that at least one component of the
保護膜8中におけるバインダー4の含有量は、乾燥後の保護膜8を基準として0.1質量%以上、より好ましくは0.5質量%以上であって、20質量%以下、より好ましくは10質量%以下であることが望ましい。バインダー4の含有量が少なすぎると、本実施形態の固化工程における固化が不十分となるばかりでなく、乾燥後の合剤層の機械的強度が不足し、電極膜9から保護膜8が剥がれ落ちることがある。また、バインダー4の含有量が多すぎると、絶縁性粒子1によって形成された細孔がバインダー4により塞がれてしまい、気孔率が低下することで電池性能の悪化(電池容量の低下等)を引き起こす恐れがある。
The content of the
本実施形態の溶剤2は第1の溶剤と第2の溶剤を適切に選択して使うことが重要である。かかる溶剤2は本実施形態の固化液11もしくは固化液11を兼用するバインダー4の成分の溶解性、溶剤相互の溶解性から選択されるべきで、第1の溶剤としてN−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、プロピレンカーボネート、ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクトンなどに代表される非プロトン性極性溶剤もしくはこれらの混合液を選択できる。また、第2の溶剤として水、エタノール、イソプロピルアルコール、酢酸などに代表されるプロトン性溶剤もしくはこれらの混合液を選択できるが、ここにあげた例に限定されるわけではない。場合によっては第2の溶剤として脂肪族飽和炭化水素、脂肪族アミン類、エステル類、エーテル類、ハロゲン系各種溶剤などの選択も可能である。さらに、場合によっては第1の溶剤と第2の溶剤を交換する選択も可能である。かかる本実施形態の溶剤2の選択は保護膜8に用いる固化成分の選択とそれに合致した2種の溶剤2の組み合わせに依存するのである。
It is important that the solvent 2 of this embodiment is used by appropriately selecting the first solvent and the second solvent. The solvent 2 should be selected from the solubility of the solidified
電極膜スラリーと保護膜スラリーに用いられる溶剤は、同一であっても異なってもよい。ここに開示される技術では、保護膜スラリーの溶剤(本実施形態における第1の溶剤)として、電極膜9スラリーと同一の溶剤を好ましく採用し得る。 The solvent used for the electrode film slurry and the protective film slurry may be the same or different. In the technology disclosed herein, the same solvent as the electrode film 9 slurry can be preferably used as the solvent of the protective film slurry (first solvent in the present embodiment).
また、第2の溶剤は電極膜9に含まれるバインダー4の材料が溶融・膨潤しない溶剤を選択して使用する必要がある。ここに開示される技術において、第1の溶剤を含む電極膜9表面に保持した塗布保護膜8に第2の溶剤を接触させ、バインダー4を析出・固化させることで保護膜8を形成する。第2の溶剤は電極膜9にも接触するため、電極膜9に含まれるバインダー4の材料が溶融・膨潤しない溶剤を選択することで電極膜9の状態に影響及ぼす事象を回避することができる。
Further, it is necessary to select and use a solvent that does not melt or swell the material of the
本実施形態の電極膜スラリーおよび保護膜スラリーを塗布する方法として、例えば、押出しコーター、リバースローラー、ドクターブレード、アプリケーターなどをはじめ、各種塗布方法を採用することができる。 As a method for applying the electrode film slurry and the protective film slurry of the present embodiment, various application methods such as an extrusion coater, a reverse roller, a doctor blade, an applicator and the like can be adopted.
活物質3のうち、正極に用いられる正極活物質としては、コバルト酸リチウムや、マンガンを含有するスピネル構造のリチウム含有複合酸化物、もしくはニッケル、コバルト、マンガンを含んでなる複合酸化物、あるいはオリビン型リン酸鉄に代表されるオリビン型化合物などを使用するが、これらに限定されるわけではない。マンガンを含有するスピネル構造のリチウム含有複合酸化物は熱的安定性に優れているため、例えば、安全性の高い電池を構成することができる。また正極活物質には、マンガンを含有するスピネル構造のリチウム含有複合酸化物のみを用いてもよいが、他の正極活物質を併用してもよい。このような他の正極活物質としては、例えば、Li1+xMO2(−0.1<x<0.1、M:Co、Ni、Mn、Al、Mg、Zr、Tiなど)で表わされるオリビン型化合物などが挙げられる。また層状構造のリチウム含有遷移金属酸化物の具体例としては、LiCoO2やLiNi1−xCox−yAlyO2(0.1≦x≦0.3、0.01≦y≦0.2)などの他、少なくともCo、NiおよびMnを含む酸化物(LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2、LiMn5/12Ni5/12Co1/6O2、LiNi3/5Mn1/5Co1/5O2など)などを用いることができる。
Among the
活物質3のうち、負極に用いられる負極活物質としては、例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛)、人造黒鉛、膨張黒鉛などの黒鉛材料;ピッチを焼成して得られるコークスなどの易黒鉛化性炭素質材料;フルフリルアルコール樹脂(PFA)やポリパラフェニレン(PPP)およびフェノール樹脂を低温焼成して得られる非晶質炭素などの難黒鉛化性炭素質材料などの炭素材料が挙げられる。また、炭素材料の他に、リチウムやリチウム含有化合物も負極活物質として用いることができる。リチウム含有化合物としては、Li−Alなどのリチウム合金や、Si、Snなどのリチウムとの合金化が可能な元素を含む合金が挙げられる。更にSn酸化物やSi酸化物などの酸化物系材料も用いることも可能である。
Among the
導電材5としては、通常、正極電極膜に含有させる電子伝導助剤として用いるもので、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、グラファイト、カーボンファイバー、カーボンナノチューブなどの炭素材料が好ましい。上記の炭素材料の中でも、添加量と導電性の効果、および塗布用正極合剤スラリーの製造性の点から、アセチレンブラックまたはケッチェンブラックが特に好ましい。かかる導電材5は負極電極膜に含有させることも可能であり、好ましい場合もある。
The
また本実施形態で用いる集電箔6は代表的に示したものであり、シート状の箔に限定されることはなく、その基体としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、チタンなどの純金属もしくは合金性導電材料を用いて、その形状として、網、パンチドメタル、フォームメタルや、板状に加工した箔などが用いられる。導電性基体の厚みとしては、例えば、5から30μm、より好ましくは8から16μmが選択される。
The
本実施形態により提供され得るリチウムイオン二次電池は、上述した方法で製造される正極及び負極を含むこと以外は従来の二次電池と同様にして製造することができる。電池の該容器の構造やサイズ、あるいは正負極を主構成要素とする電極体の構造等について、特に制限はない。 The lithium ion secondary battery that can be provided by the present embodiment can be manufactured in the same manner as a conventional secondary battery except that it includes a positive electrode and a negative electrode manufactured by the above-described method. There is no particular limitation on the structure and size of the battery container or the structure of the electrode body having positive and negative electrodes as main components.
以上、本実施形態に係るバインダー4を均一に分布し、密着性の高い保護膜8付電極膜9の製造方法について述べたが、以下本実施形態の好適な実施例について、実験結果に基づいて説明する。なお、バインダー4の濃度は質量%で示す。
The manufacturing method of the electrode film 9 with the
ここでは、逐次塗布により電極膜9のうち正極膜上に保護膜8を形成する場合について述べる。
Here, the case where the
まず、正極膜の形成について説明する。電極膜スラリーのうち、正極膜用のスラリーは以下の方法で作製した。活物質3としてリチウム遷移金属複合酸化物のリチウムマンガンコバルトニッケル複合酸化物粉末を用いた。このリチウムマンガンコバルトニッケル複合酸化物を85重量部に対して、導電材5として黒鉛粉末を9重量部およびカーボンブラックを2重量部とを混合して正極合剤として調製した。この正極合剤にポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと略記する。)が4重量部となるようにポリフッ化ビニリデンを溶解したN−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと略記する。)溶液(バインダ溶液)を加えるとともにNMPに分散させてスラリー状とした。
First, formation of the positive electrode film will be described. Among the electrode film slurries, the positive electrode film slurry was prepared by the following method. As the
その後、上記で作製した正極膜用のスラリーをアルミニウムで形成された集電箔6の表面へダイコータを使用し塗布する。続いて塗布電極膜9を純水中に5秒間浸漬させバインダー4を固化させた後、温風乾燥炉にて昇温速度3度/秒にて120度で乾燥させ、正極膜を形成した。
Then, the slurry for positive electrode films produced above is apply | coated to the surface of the
次に、保護膜8の形成について説明する。保護膜スラリーは以下の方法で作製した。絶縁性粒子1として平均粒径1μmのシリカ粒子を用いた。このシリカ粒子を75重量部に対して、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと略記する。)が4重量部となるようにポリフッ化ビニリデンを溶解したN−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと略記する。)溶液(バインダ溶液)を加えるとともにNMPに分散させてスラリー状とした。
Next, formation of the
上記で作製した正極膜上に保護膜スラリーをダイコータを使用し塗布する。続いて塗布保護膜8を純水中に5秒間浸漬させバインダー4を固化させた後、温風乾燥炉にて昇温速度3度/秒にて120度で保護膜8を乾燥させた。
A protective film slurry is applied onto the positive electrode film produced above using a die coater. Subsequently, the coating
作製した保護膜8のバインダー分布は図4に示すように、電極膜9側のバインダー濃度が表面(電極膜9と反対側)近傍と比較して増加しており、保護膜8の電極膜9側のバインダー濃度は4.2%、保護膜8の表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度は3.5%であり、保護膜8の電極膜9側のバインダー濃度は保護膜8の表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度と比較して表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度の20%多かった。また、電極膜9のバインダー分布は、集電箔6側のバインダー濃度が表面(保護膜8側)近傍と比較して増加しており、電極膜9の集電箔6側のバインダー濃度は4.4%、電極膜9の表面側(保護膜8側)のバインダー濃度は3.7%であり、電極膜9の集電箔6側のバインダー濃度は電極膜9の表面側(保護膜8側)のバインダー濃度と比較して電極膜9の表面側(保護膜8側)のバインダー濃度の19%多かった。
(比較例1)
ここでは実施例1の正極膜用のスラリーをアルミニウムで形成された集電箔6の表面へダイコータを使用し塗布する。続いて塗布正極膜を温風乾燥炉にて昇温速度3℃/秒にて120℃で乾燥させ、正極膜を形成した。その後実施例1の保護層スラリーを正極膜上にダイコータを使用し塗布し、塗布保護膜8を温風乾燥路にて昇温速度3度/秒にて120度で保護膜8を乾燥させた。
As shown in FIG. 4, the binder distribution of the produced
(Comparative Example 1)
Here, the slurry for the positive electrode film of Example 1 is applied to the surface of the
作製した保護膜8のバインダー分布は図4に示すように、電極膜9側のバインダー濃度が表面(電極膜9と反対側)近傍と比較して減少しており、保護膜8の電極膜9側のバインダー濃度は3.6%、保護膜8の表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度は4.9%であり、保護膜8の電極膜9側のバインダー濃度は保護膜8の表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度と比較して表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度の27%少なかった。また、電極膜9のバインダー分布は集電箔6側のバインダー濃度が表面(保護膜8側)近傍と比較して減少しており、電極膜9の集電箔6側のバインダー濃度は2.8%、電極膜9の表面側(保護膜8側)のバインダー濃度は5.3%であり、電極膜9の集電箔6側のバインダー濃度は電極膜9の表面側(保護膜8側)のバインダー濃度と比較して表面側(保護膜8側)のバインダー濃度の47%少なかった。
(実施例1の効果)
実施例1のように、バインダー4を固化させてから乾燥を行う場合には、比較例1のようにバインダー4を固化させずに温風乾燥を行う場合と比較して、保護膜8の電極膜9側にバインダー4が多く存在するため、保護膜8と電極膜9との密着性が増加し、保護膜8と電極膜9との剥離を防止することが可能となる。また、電極膜9の集電箔6側にバインダー4が多く存在するため、電極膜9と集電箔6との密着性が増加し、電極膜9と集電箔6との剥離を防止することが可能となる。これにより、バインダー濃度を多くせずに電極膜9との剥離を防止することができるため、電池容量の低下を抑制することが可能となる。
As shown in FIG. 4, the binder distribution of the produced
(Effect of Example 1)
When the drying is performed after the
また、保護膜8の電極膜9側のバインダー濃度と表面側(電極膜9の反対側)のバインダー濃度との差を表面側(電極膜9の反対側)のバインダー濃度の50%以下とすることができる。さらに、電極膜9の集電箔6側のバインダー濃度と保護膜8側のバインダー濃度との差を保護膜8側のバインダー濃度の50%以下とすることができる。これにより、バインダー濃度が極端に低い部分が生じなくなるため、粒子の滑落を防止できる。さらに、バインダー濃度が極端に高い部分が生じなくなるため、電極膜9側の気孔がバインダー4によって塞がれることがなくなり、電池容量が低下するのを防止することができる。
Further, the difference between the binder concentration on the electrode film 9 side of the
ここでは、電極膜9のうちの正極膜と保護膜8を一括形成する場合について述べる。
Here, the case where the positive electrode film and the
実施例1と同様に作製した正極膜用のスラリーをアルミニウムで形成された集電箔6の表面へダイコータを使用し塗布する。続いて、実施例1と同様に作製した保護膜スラリーを塗布正極膜上にダイコータを使用して塗布する。その後、塗布正極膜及び保護膜8を純水中に5秒間浸漬させバインダー4を固化させた後、温風乾燥炉にて昇温速度3度/秒にて120度で乾燥させ、保護膜8が形成された正極膜を作製した。ここでは、まず正極膜スラリーを塗布した後に保護膜スラリーを塗布する方法を説明したが、例えば正極スラリーと保護膜スラリーを同時に塗布する重層塗工を用いることも出来る。
The slurry for the positive electrode film produced in the same manner as in Example 1 is applied to the surface of the
作製した保護膜8のバインダー分布は図5に示すように、電極膜9側のバインダー濃度が表面(電極膜9と反対側)近傍と比較して増加しており、保護膜8の電極膜9側のバインダー濃度は3.8%、保護膜8の表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度は3.3%であり、保護膜8の電極膜9側のバインダー濃度は保護膜8の表面側(電極膜9と反対側)の場インターの量と比較して表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度の15%多かった。また、電極膜9のバインダー分布は集電箔6側のバインダー濃度が表面(保護膜8側)近傍と比較して増加しており、電極膜9の集電箔6側のバインダー濃度は3.9%、電極膜9の表面側(保護膜8側)のバインダー濃度は4.4%であり、電極膜9の集電箔6側のバインダー濃度は電極膜9の表面側(保護膜8側)のバインダー濃度と比較して13%多かった。
(比較例2)
ここでは実施例2の正極膜用のスラリーをアルミニウムで形成された集電箔6の表面へダイコータを使用し塗布する。続いて実施例2の保護膜スラリーを塗布正極膜上にダイコータを使用して塗布する。塗布正極膜および保護膜8を温風乾燥炉にて昇温速度3℃/秒にて120℃で乾燥させ、保護膜8が形成された電極膜9を作製した。
As shown in FIG. 5, the binder distribution of the produced
(Comparative Example 2)
Here, the slurry for the positive electrode film of Example 2 is applied to the surface of the
作製した保護膜8のバインダー分布は図5に示すように、電極膜9側のバインダー濃度が表面(電極膜9と反対側)近傍と比較して減少しており、保護膜8の電極膜9側のバインダー濃度は4.8%、保護膜8の表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度は5.6%であり、保護膜8の電極膜9側のバインダー濃度は保護膜8の表面側(電極膜9と反対側)の場インターの量と比較して表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度の14%少なかった。また、電極膜9のバインダー分布は集電箔6側のバインダー濃度が表面(保護膜8側)近傍と比較して減少しており、電極膜9の集電箔6側のバインダー濃度は2.3%、電極膜9の表面側(保護膜8側)は4.8%であり、電極膜9の集電箔6側のバインダー濃度は電極膜9の表面側(保護膜8側)のバインダー濃度と比較して52%少なかった。
As shown in FIG. 5, the binder distribution of the produced
さらに、保護膜8を形成する絶縁性粒子1(シリカ粒子)の正極膜側への拡散が認められ、絶縁性粒子1(シリカ粒子)が10%以上正極膜に混入した。また、正極膜内の正極活物質の保護膜8側への拡散も認められ、正極活物質が10%以上保護膜8に混入している厚みは、20μmであった。
(実施例2の効果)
実施例2のように、バインダー4を固化させてから乾燥を行う場合には、比較例2のようにバインダー4を固化させずに温風乾燥を行う場合と比較して、実施例1と同様の効果が得られる。また、実施例2では比較例2のような乾燥時の溶剤移動による粒子の混在化が防止できるため、保護膜8の厚みを薄くすることが可能となる。保護層を薄膜化すると、正極活物質の量を増やすことが可能となり、保護膜8が形成された電極膜9の容量を高くすることができる。これにより、実施例2の正極膜を用いると、耐短絡性などの信頼性に優れ、かつ高容量のリチウムイオン二次電池を得ることが可能となる。
Furthermore, diffusion of the insulating particles 1 (silica particles) forming the
(Effect of Example 2)
When drying is performed after the
ここでは、実施例2と同様に電極膜9のうちの正極膜と保護膜8を一括形成し、保護膜8中のバインダー4を電極膜のうち正極膜中のバインダーの2倍にした場合について述べる。
Here, as in Example 2, the positive electrode film of the electrode film 9 and the
その後、実施例1、2と同様に作製した正極膜用のスラリーをアルミニウムで形成された集電箔6の表面へダイコータを使用し塗布する。続いて、実施例1、2と同様に作製した保護膜スラリーを塗布正極膜上にダイコータを使用して塗布する。その後、塗布正極膜及び保護膜8を純水中に5秒間浸漬させバインダー4を固化させた後、温風乾燥炉にて昇温速度3度/秒にて120度で乾燥させ、保護膜8が形成された正極膜を作製した。
Then, the slurry for positive electrode films produced similarly to Example 1, 2 is apply | coated to the surface of the
作製した保護膜8のバインダー分布は図6に示すように、電極膜9側のバインダー濃度が表面(電極膜9と反対側)近傍と比較して増加しており、保護膜8の電極膜9側のバインダー濃度は8.4%、保護膜8の表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度は7.8%であり、保護膜8の電極膜9側のバインダー濃度は保護膜8の表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度と比較して表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度の7.7%多かった。また、電極膜9のバインダー分布は集電箔8側のバインダー濃度が表面(保護膜8側)近傍と比較して増加しており、電極膜9の集電箔側のバインダー濃度は4.4%、電極膜9の表面側(保護膜8側)のバインダー濃度は4.0%であり、電極膜9の集電箔6側のバインダー濃度は電極膜9の表面側(保護膜8側)のバインダー濃度と比較して10%多かった。
(比較例3)
ここでは実施例3の正極膜用のスラリーをアルミニウムで形成された集電箔6の表面へダイコータを使用し塗布する。続いて実施例3の保護膜スラリーを塗布正極膜上にダイコータを使用して塗布する。塗布正極膜および保護膜8を温風乾燥炉にて昇温速度3℃/秒にて120℃で乾燥させ、保護膜8が形成された電極膜9を作製した。その後実施例3の保護膜スラリーを正極膜上にダイコータを使用し塗布し、塗布保護膜8を温風乾燥路にて昇温速度3度/秒にて120度で保護膜8を乾燥させた
乾燥後の電極膜9は保護膜8にひび割れや剥離が多く認められた。作製した保護膜8のバインダー分布は図6に示すように、電極膜9側のバインダー濃度が表面(電極膜9と反対側)近傍と比較して減少しており、保護膜8の電極膜9側のバインダー濃度は7.1%、保護膜8の表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度は9.0%であり、保護膜8の電極膜9側のバインダー濃度は保護膜8の表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度と比較して表面側(電極膜9と反対側)のバインダー濃度の21%少なかった。また、電極膜9のバインダー分布は集電箔8側のバインダー濃度が表面(保護膜8側)近傍と比較して減少しており、電極膜9の集電箔8側のバインダー濃度は2.8%、電極膜9の表面側(保護膜8側)のバインダー濃度は6.5%であり、電極膜9の集電箔6側のバインダー濃度は電極膜9の表面側(保護膜8側)のバインダー濃度と比較して57%少なかった。
(実施例3の効果)
実施例3のように、バインダー4を固化させてから乾燥を行う場合には、比較例3のバインダー4を固化させずに温風乾燥を行う場合と比較して、実施例1、2と同様の効果が得られる。また、実施例3では、保護膜8と電極膜9におけるバインダー濃度の違いによる乾燥収縮の違いによる応力を緩和することができるため、電極膜9との剥離を防止することが可能となる。
As shown in FIG. 6, the binder distribution of the produced
(Comparative Example 3)
Here, the slurry for the positive electrode film of Example 3 is applied to the surface of the
(Effect of Example 3)
In the case where drying is performed after the
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、さまざまな変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。 In addition, this invention is not limited to above-described embodiment, Various modifications are included. For example, the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described.
1 絶縁性粒子
2 溶剤
3 活物質
4 バインダー
5 導電材
6 集電箔
7 気化した溶剤
8 保護膜
9 電極膜
10 バインダー濃縮層
11 固化液
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記電極膜表面に形成され、前記電極膜と接着するバインダーと絶縁性粒子とを含む保護膜とを有し、
前記保護膜における前記電極膜側のバインダーの濃度が前記電極膜と反対側のバインダーの濃度よりも高いことを特徴とするリチウムイオン二次電池。 An electrode film including a binder formed on the surface of the current collector foil and bonded to the current collector foil;
A protective film that is formed on the surface of the electrode film and includes a binder that adheres to the electrode film and insulating particles;
The lithium ion secondary battery, wherein the concentration of the binder on the electrode film side in the protective film is higher than the concentration of the binder on the opposite side to the electrode film.
固化液が含まれる溶剤を前記保護膜スラリーと接触させ、前記保護膜スラリーを固化する第2の工程と、
固化した前記保護膜スラリーから液体成分を除去して乾燥する第3の工程とを含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法。 A first step of applying a liquid protective film slurry containing a binder that adheres to the electrode film on the electrode film formed on the surface of the current collector foil;
A second step of bringing a solvent containing a solidified liquid into contact with the protective film slurry, and solidifying the protective film slurry;
And a third step of removing the liquid component from the solidified protective film slurry and drying it. A method for producing a lithium ion secondary battery, comprising:
前記電極膜スラリーを塗布した前記電極集の表面に液状の保護膜スラリーを塗布する第2の工程と、
前記電極膜スラリーおよび前記保護膜スラリーに固化液を含む溶剤を前記電極膜スラリーおよび前記保護膜スラリーと接触させ、前記電極膜スラリーおよび前記保護膜スラリーを固化する第3の工程と、
前記電極膜スラリーおよび前記保護膜スラリーから液体成分を除去して乾燥する第4の工程とを含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法。 A first step of applying a liquid electrode film slurry to the surface of the current collector foil;
A second step of applying a liquid protective film slurry to the surface of the electrode assembly to which the electrode film slurry has been applied;
A third step of bringing the electrode film slurry and the protective film slurry into contact with the electrode film slurry and the protective film slurry, and solidifying the electrode film slurry and the protective film slurry;
And a fourth step of removing the liquid component from the electrode film slurry and the protective film slurry and drying the liquid film slurry, and a method for producing a lithium ion secondary battery.
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